肖光宏，張秋陵

(重慶交通大學(xué)，重慶400074)

1 工程概況

連續(xù)剛構(gòu)橋梁在我國修建了很多，箱梁上腹板出現(xiàn)裂縫的報道也不少，但大多連續(xù)剛構(gòu)橋梁箱梁的腹板裂縫都是出現(xiàn)在0號塊上，因為0號塊的高度大，剪力也大，豎向預(yù)應(yīng)力施加不足或施工不合理就極其容易在箱梁腹板上出現(xiàn)斜裂縫［1－2］。筆者介紹的箱梁腹板裂縫出現(xiàn)在大約1/4跨的地方，此處剪力不是很大，一般不應(yīng)該出現(xiàn)斜裂縫，但由于現(xiàn)澆塊段出現(xiàn)較長時間停工以及溫度的作用從而導(dǎo)致裂縫產(chǎn)生。該橋位于重慶市南岸區(qū)，橋梁縱向布置115.5m+210m+115.5m，橫向布置1.5m+9m+1.5m。主梁為單箱單室截面，箱梁翼緣寬度12.5m，箱底寬6m。箱梁采用掛籃懸臂澆筑施工，2個墩的箱梁各分為23對塊件平衡懸臂澆筑，箱梁塊件長度分別為:1～6號塊段，3.5m;7～13號塊段，4m;14～23號塊段，5m。

2 裂縫概況

在準(zhǔn)備竣工驗收階段，對大橋進(jìn)行了全面檢查，發(fā)現(xiàn)主梁跨中L/4區(qū)段梁腹出現(xiàn)裂縫，裂縫高度大約在箱梁高度1/2處，圖1為裂縫照片［3］。

圖1 裂縫照片F(xiàn)ig.1 Photo of crack

裂縫具體分布情況如下:在1號橋墩中跨的第10號節(jié)段的上下游腹板、2號橋墩中跨9號節(jié)段的上下游腹板以及2號橋墩邊跨的9號節(jié)段的上下游腹板均出現(xiàn)裂縫，各塊件裂縫均出現(xiàn)在腹板高度的中部接近重心的地方，距箱梁底板2.5～3.7m，裂縫向節(jié)段編號增大方向發(fā)展，其與水平線的夾角約為10°～20°，裂縫長度 1.2 ～1.7m，最大寬度 0.5 mm，且裂縫箱梁的上下游腹板均只有一條裂縫，裂縫都是從現(xiàn)澆節(jié)段的施工接縫開始向后澆節(jié)段發(fā)展，裂縫位置示意見圖 2［4］。

圖2 裂縫位置示意Fig.2 Location of crack

3 裂縫成因分析

3.1 裂縫特征與引起開裂的主要因素

3.1.1 裂縫特征

本橋箱梁裂縫有以下特點:①全橋4個懸臂中的3個懸臂的箱梁上下游腹板均開裂，表明裂縫具有普遍性;②裂縫均出現(xiàn)在2個節(jié)段交接面施工縫處;③裂縫都是從施工縫處開始，往后澆節(jié)段發(fā)展;④裂縫都出現(xiàn)在腹板重心處附近;⑤裂縫前部(靠近施工接縫)寬，后邊細(xì)。其中②～④條特征表明裂縫具有規(guī)律性。

3.1.2 裂縫產(chǎn)生的原因分析

引起混凝土結(jié)構(gòu)產(chǎn)生裂縫的原因有荷載引起和非荷載引起2種。非荷載原因一般有混凝土溫度變化、混凝土收縮與徐變、施工質(zhì)量等各種因素。裂縫的出現(xiàn)必然是混凝土的拉應(yīng)力超過了混凝土的抗拉強(qiáng)度，而拉應(yīng)力往往是由幾種因素共同作用的疊加［5－6］。分析和尋找裂縫發(fā)生的原因就是要找出引起混凝土拉應(yīng)力大于其抗拉強(qiáng)度的主要因素，以便今后采取有效措施防止裂縫的再次出現(xiàn)。

從本橋箱梁腹板裂縫的特征來看，裂縫都出現(xiàn)在腹板中部，都開始于施工接縫，規(guī)律性較強(qiáng)，這表明裂縫是系統(tǒng)因素引起的，而不會是由于偶然因素引起。

由于本橋箱梁裂縫發(fā)現(xiàn)是在通車之前，而且通車后繼續(xù)觀察未發(fā)現(xiàn)進(jìn)一步發(fā)展，說明裂縫不是由于外荷載引起的，而是非荷載因素引起的。常見的非荷載因素有溫度變化、混凝土收縮以及混凝土徐變。徐變不應(yīng)該是本橋腹板裂縫的主要因素，因為產(chǎn)生徐變必須有力的作用才會發(fā)生，而開裂部位為梁高1/2處，接近重心，拉應(yīng)力接近為0，因此不考慮徐變因素。可以認(rèn)為溫度變化和混凝土的收縮是產(chǎn)生裂縫的主要因素。

3.2 裂縫的產(chǎn)生

混凝土澆注后，其后澆注節(jié)段在施工縫處受到前一節(jié)段混凝土的約束，從而產(chǎn)生收縮約束拉應(yīng)力和變形能;另一方面，后澆注節(jié)段混凝土在水化結(jié)硬時產(chǎn)生水化熱，節(jié)段塊體溫相對較高，而先前澆注的節(jié)段已經(jīng)結(jié)硬，混凝土梁體體溫較低。兩節(jié)段體溫相差較大，二者溫度將趨于一致，因而前一節(jié)段吸收的熱量要大于后一節(jié)段吸收的熱量，于是造成節(jié)段存在膨脹變形差，前一段膨脹大，而后一階段膨脹小。因此，前一節(jié)段對后一節(jié)段會產(chǎn)生脹裂作用，這樣脹裂作用使后一節(jié)段受拉，產(chǎn)生拉應(yīng)變，且在升溫季節(jié)與夏季不會消除。

隨著時間的推移，收縮還在不斷發(fā)生，收縮量總量也越來越大，由于前一節(jié)段齡期較大，收縮量逐漸變小，后一節(jié)段齡期小，收縮變形較大。所以前后節(jié)段的收縮量差也越來越大，在后一節(jié)段體內(nèi)聚集的受拉變形能越來越大，產(chǎn)生的拉應(yīng)力也越來越大，當(dāng)拉應(yīng)力超過腹板混凝土的抗拉強(qiáng)度時，腹板便出現(xiàn)裂縫。由拉應(yīng)力分布圖(圖3)可知，在靠近交界面處拉應(yīng)力最大，遠(yuǎn)離交界面處拉應(yīng)力較小，因此，裂縫總是從交界面處開始向后澆節(jié)段延伸。

圖3 塊件收縮約束變形與應(yīng)力分布Fig.3 Constraint shrinkage deformation and stress distribution of block pieces

3.3 裂縫的發(fā)展階段

3.3.1 開裂初期階段

腹板一旦開裂，開裂截面的應(yīng)力得到釋放，開裂截面混凝土不再承擔(dān)拉力，變成為自由邊，節(jié)段被分裂為上下兩部分，自由邊分別向上下兩部分的中心收縮，使裂縫越來越寬。同時，開裂截面應(yīng)力釋放后，應(yīng)力場發(fā)生根本改變，在開裂截面上由開裂前的應(yīng)力均勻分布改變?yōu)殚_裂后應(yīng)力向裂縫尖端集中，裂縫尖端拉應(yīng)力過大導(dǎo)致裂縫迅速向裂縫尖端方向發(fā)展。

3.3.2 懸臂澆筑裂縫發(fā)展階段

本橋在裂縫出現(xiàn)時，大橋仍處在懸臂澆筑施工階段，箱梁還是一個懸臂梁，后澆節(jié)段的恒重會對裂縫處產(chǎn)生剪力，隨著箱梁各后續(xù)節(jié)段不斷施工，裂縫處的剪應(yīng)力也不斷增加，而截面重心處的拉應(yīng)力則無明顯變化，因此裂縫不是水平發(fā)展而是出現(xiàn)傾斜。另外，混凝土的收縮也仍在不斷發(fā)生，它也是裂縫發(fā)展的主要因素，兩個因素的共同作用使得裂縫延著后澆節(jié)段不斷延伸和變寬。

3.3.3 箱梁合龍后及運營階段

通過以上分析可知，裂縫的發(fā)生和發(fā)展是在大橋施工階段完成的，但它是否會在使用荷載下的使用運營階段進(jìn)一步擴(kuò)展，也值得關(guān)注［7－8］。

當(dāng)箱梁合龍后，橋梁體系發(fā)生轉(zhuǎn)換，由原來的懸臂靜定結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變成了連續(xù)剛構(gòu)的超靜定結(jié)構(gòu)。為了分析全橋竣工通車后的應(yīng)力狀態(tài)，筆者利用大型有限元軟件ANSYS建立大橋計算模型(圖4)，對大橋主梁腹板應(yīng)力進(jìn)行計算分析。

圖4 大橋有限元計算模型Fig.4 Finite element calculation model of bridge

經(jīng)計算，在運營階段開裂截面處的應(yīng)力列于表1。

運營階段主要是箱梁底板束的集中力引起開裂面的剪應(yīng)力使裂縫進(jìn)一步開展。此階段前期由于節(jié)段混凝土連續(xù)收縮以及底板束施加的預(yù)應(yīng)力使裂縫進(jìn)一步開展，后期隨著節(jié)段齡期達(dá)到200 d以上，收縮基本穩(wěn)定，裂縫隨之穩(wěn)定，不再開展。

4 結(jié)語

1)此大橋箱梁腹板出現(xiàn)的裂縫具有規(guī)律性，是有系統(tǒng)因素引起。

2)混凝土收縮是引起裂縫的主要原因。經(jīng)查閱施工記錄，在裂縫出現(xiàn)節(jié)段的前一節(jié)段與后一節(jié)段的施工由于資金原因停工了約40 d，造成前后節(jié)段收縮差大。塊件混凝土收縮時，開裂節(jié)段受到前一節(jié)段的約束作用以及由該兩個塊件齡期差異導(dǎo)致的收縮量差的附加約束作用產(chǎn)生的拉應(yīng)力。

3)溫度變化也是引起裂縫的原因之一。前后兩節(jié)段從大氣中的吸熱量差產(chǎn)生的前一塊件對開裂塊件的脹裂作用的拉應(yīng)力。

4)收縮和溫度變化綜合因素導(dǎo)致裂縫發(fā)生。收縮約束拉應(yīng)力各塊件均存在，吸熱量差拉應(yīng)力僅出現(xiàn)在春季的快速升溫時季，雖然由兩種拉應(yīng)力組合在一起使腹板開裂。

5)裂縫目前已經(jīng)穩(wěn)定沒有進(jìn)一步發(fā)展。

6)建議在箱梁懸臂澆注期間不可停工過長，以免前后兩個澆注節(jié)段連面收縮差過大而產(chǎn)生裂縫。

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